白光干涉条纹色偏移机理与校正技术研究

论文摘要

白光显微干涉技术将白光干涉技术与显微成像技术结合起来,实现了微观三维形貌的测量,因其快速、非接触、高精度等一系列优点,多年来一直受到广泛的关注。在理想情况下,白光干涉信号中心为对比度最大的零级条纹,零级条纹两侧为对称的彩色条纹。但在实际装配过程中很难保证干涉光路中参考臂和测试臂完全匹配,会不可避免地引入色散使得零级条纹两侧不对称,产生色偏移现象,从而对形貌测量造成影响。本文从白光干涉条纹光强表达式出发,结合Mirau型干涉显微物镜光路结构,给出了三种合理的色偏移误差来源。在双光束干涉理论的基础上,针对参考板与分光板的厚度差、参考板的倾斜量这两种误差来源建立了数学模型,根据提出的干涉信号评价方法,定量分析了上述两种误差来源对干涉信号形状的影响。再研究色偏移对形貌复原精度的影响,为此设定一个原始轮廓,根据色偏移模型生成一系列的干涉图模拟扫描过程,选用傅里叶变换法和宽带光八步法重构表面形貌得到高度复原误差。根据复原误差的大小比较两类算法的抗色散性能,并判定参考板与分光板所允许的最大厚度差、参考板自身所允许的最大倾斜量,以校正色偏移对测量结果的影响。还针对金属材料表面的反射光相位改变量这一误差来源展开研究,论述了可能造成高度复原误差的情形,并提出了相应的校正方法。最后实验验证色偏移误差来源对白光干涉条纹及高度复原精度的影响,选取90.5nm标准台阶板和振幅型计算全息元件(CGH)作为微观三维形貌测试对象,将测试结果与仿真分析比较,验证了色偏移理论模型和相应校正方法的正确性。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 微观表面形貌测量的方法

1.2.1 微观表面形貌非光学测量方法

1.2.2 微观表面形貌光学测量方法

1.3 国内外研究现状

1.4 课题来源和研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 本文的主要研究内容

2 白光显微干涉的基本理论

2.1 白光干涉原理

2.2 干涉显微物镜的三种结构

2.2.1 Michelson型干涉显微物镜

2.2.2 Mirau型干涉显微物镜

2.2.3 Linnik型干涉显微物镜

2.3 白光显微干涉模型

2.4 显微物镜数值孔径对光强分布的影响

2.5 光源带宽对光强分布的影响

2.6 光源带宽和数值孔径对光强分布的综合作用

2.7 白光干涉色仿真及分析

2.8 本章小结

3 白光干涉仪色偏移误差来源分析

3.1 白光干涉条纹色偏移误差来源分析

3.2 参考板与分光板的厚度差对干涉条纹的影响

3.2.1 厚度差情况下白光干涉光强表达式推导

3.2.2 厚度差情况下色散仿真及结果分析

3.3 参考板倾斜对干涉条纹的影响

3.3.1 参考板倾斜情况下白光干涉条纹光强表达式推导

3.3.2 参考板倾斜情况下色散仿真及结果分析

3.4 金属材料反射光相位变化对干涉条纹及形貌测量的影响

3.4.1 绝缘介质表面反射光相位变化

3.4.2 金属表面反射光相位变化

3.4.3 高度复原误差校正

3.5 本章小结

4 色偏移对高度复原精度的影响

4.1 三维形貌算法介绍

4.1.1 傅里叶变换法

4.1.2 宽带光八步法

4.2 色偏移对算法高度复原精度的仿真研究

4.2.1 参考板与分光板的厚度差对算法复原精度的影响及容限分析

4.2.2 参考板倾斜对算法复原精度的影响及容限分析

4.3 本章小结

5 色偏移误差来源的实验研究

5.1 自研实验平台及标准对照仪器

5.2 参考板与分光板厚度差对干涉条纹形状及复原精度影响的实验研究

5.3 参考板倾斜对干涉条纹形状及复原精度影响的实验研究

5.4 金属表面反射光相位改变对干涉条纹形状及复原精度影响的实验研究

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 论文创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡捷

导师: 高志山

关键词: 白光干涉,色偏移,色散,误差容限

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京理工大学

基金: 国家重大仪器专项2013YQ150829“相位调制干涉仪关键部件与仪器开发和应用”

分类号: O436.1

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001191

总页数: 87

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